基于CATIA的拱坝三维协同设计

2011-12-24黄志澎赵永刚胡云明

水电站设计 2011年4期

黄志澎，杨敬，赵永刚，胡云明

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072；2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

1 前言

我院自引进了MatrixOne和CATIA/VPM(Virtual Product Management)，通过同时使用这两个系统，部署了统一的协同设计环境。水电设计业务流程可以在这个无缝的协同环境中实现，将复杂的工程设计活动和业务流程管理连接起来，提高设计质量和效率。

DS(Dassault Systemes)公司正全面利用ENOVIA开放式SOA架构实现对任何业务流程和软件的无缝集成，这将给不同行业中的客户都带来无可比拟的益处。

DS公司在收购MatrixOne之后，开发出了全球性的ENOVIA解决方案。该解决方案将CATIA/ENOVIA VPM的具体产品设计信息和MatrixOne强大的协同业务流程管理能力和企业可见性相结合。通过这个新的解决方案将设计部门和管理部门无缝地集成在一起。

得益于ENOVIA灵活的SOA架构，DS公司的CATIA/ENOVIA VPM客户将通过MatrixOne解决方案实现对强大的协同业务流程能力的全面兼容。从MatrixOne到ENOVIA VPM工程的现行工作环境的直接存取将会给项目经理提供工程活动和项目情况的实时可见性，使得他们能够在产品开发流程的早期就发现潜在的问题，从而降低改进决策的时间和成本，客户也因此从这个全新的ENOVIA解决方案中获益。借助于ENOVIA MatrixOne，DS公司传递了一种完全的、统一的ENOVIA协同环境。

采用3D PLM设计与生产产品早已不是一种单纯的概念，而是企业发展的必然趋势，连不可一世的AutoCAD也从2007版本开始大幅度地增强了3D功能，将它过去的2D绘图环境定义成“经典工作空间”，将“三维设计空间”放在了第一位。由于无图纸设计与生产方式给企业带来的将是革命性的变化，随着市场竞争的需要，近几年采用CATIA、UG等这类软件的用户群也在进一步扩大。

拱坝三维协同设计过程是通过MaxtriOne平台实现设计流程管理和质量关口控制，在CATIA/VPM平台实现拱坝结构的在线并行协同设计。在充分掌握和分析坝址地形、地质等基本设计资料基础上，并经论证、核实后合理确定各项设计参数，直接在三维地质模型上进行多人并行的三维设计和结构分析。同时开展相关的研究工作和模型试验工作，充分采用已有的先进科研成果，借鉴国内外其它拱坝的成功设计经验，对拱坝结构设计中的关键技术环节进行全面的分析研究，直接通过三维模型来表达最终的拱坝结构设计方案。通过三维拱坝协同设计，实现分析计算模型、工程图与三维几何模型保持关联更新能力，大大提高了设计质量和效率。

2 协同设计概述

VPM系统是为实施基于CATIA的在线设计而搭建的协同设计平台，系统通过对统一存放在服务器的结构化数据的管理，进行设计任务分解与分配、设计数据的动态协同和归档。

在没有VPM协同的情况下，设计人员通过单向、静态的反复沟通达到协同的目的，这中间，没有共享、统一的数据平台，沟通的过程信息有所损失，沟通是单向的，同一个信息可能要反复传递，造成效率降低和数据管理无序。

在有VPM协同的情况下，设计人员通过集中的、实时动态的数据管理平台达到协同设计的目的，实现信息的集中管理、集中发送，达到完全共享的目的，带来设计动态沟通效率的提高，实现数据的集中管理、有序共享。

目前我院VPM和MatrixOne拥有各自独立的数据库(见图1)，采用MatrixOne作为项目管理平台、VPM作为三维协同设计平台。专业处室在MatrixOne中进行拱坝结构设计任务分解、指派计划，同时在VPM中建立拱坝结构模型节点，并分配设计人员。目前我院还没建立MatrixOne的任务节点与VPM的模型节点的对应关系，未来的目标是通过ENOVIA VPM与MatrixOne软件的集成化开发，实现MatrixOne的计划任务与VPM模型节点的关联。

图1 VPM协同平台的C/S模型

拱坝协同设计流程是在网络环境下的结构设计、分析、管理的虚拟设计过程，专业负责人可以从更高的高度来管理设计流程，即使这么做的利益不会马上显现。设计人员可以重用现有的模板、标准件库，或者构思重复利用的设计流程。鼓励使用可替代的技术和方法(例如模板、标准件、工程结构组件)，通过主骨架模型来驱动孔口、廊道、电梯井等结构模型，而非从头到尾逐个建立三维模型及绘制图纸。当新的方案修改了，只需更新或重用现有的模板。这种重用机制的应用允许企业仅通过调整总体骨架、重用模板等技术，而非被迫进行大规模新建三维模型，能在更短的时间内对变化的设计方案、复杂的工地现场条件作出快速响应。

协同设计不仅仅是一种三维设计的方法论,还包含协同管理理念。例如，应用VPM协同设计系统后，管理者可以方便地管理各个工程项目的设计进度，并在深度和广度上进行延伸。其原理是，通过分析上下游专业之间、专业内部工程结构之间的相互引用，使项目管理人员方便地了解什么时候、什么原因、哪些设计工作完成或正在进行、设计流程瓶颈出现在哪个环节等的数据信息，这样就帮助了项目管理人员或专业室主任监控、优化他们的设计流程，降低了决策时间和成本。

在线协同设计的一个中心思想就是使企业应用摆脱专业间面向事后沟通协调的解决方案的束缚，轻松应对设计资料输入变化、跟进施工现场的需要，提前对设计方案的可行性评估。单个孤立的专业模型是无法反映上下游专业间的数据输入输出及相互影响关系，即使是一个大型的工程模型，仍然不能满足设计过程中的施工现场和设计方案不断修改、变化的缺口。

通过三维协同，可以使得整个项目设计过程在3D状态下，对项目各单元工程数据可视化管理，与业主、施工单位、专业间进行更方便高效的沟通。

通过VPM系统的完整变化的设计上下文环境，实现关联设计管理，能够支持参考已有的设计数据及设计知识模板重用，提升CATIA应用性能，数据共享更安全。VPM系统协同设计具有实时协同、在线设计的特点，可以提高协同工作的效率，很好地保证数据单源性和实时更新，缩短拱坝设计周期。

3 专业间的协同设计

通过三维协同设计，实现统一数据源，实现动态实时在线设计，对设计成果集中管理，可以避免专业之间、专业内部的设计盲区，降低出错概率；通过参数化和关联性，实现快速建模，提高三维设计效率。

VPM虚拟产品管理解决方案，可以帮助企业建立统一数据的协同设计管理平台，对CATIA模型数据进行深层次、特征级的数据挖掘。正是由于VPM能够基于3D数字电站协同的充分“理解”，为工程师高效管理三维模型数据提供了有力的帮助。

VPM系统协同设计具有实时协同、在线设计的特点，可以提高协同工作的效率，很好地保证数据单源性并实时更新，缩短设计周期。采用自上而下的模型结构组织方式，层次明确，比较适合复杂拱坝结构的设计任务逐级分解，实现跨专业、专业内的协同工作。

与地质专业协同，主要涉及到拱坝建基面开挖、基础处理、边坡支护等。地质模型的建立过程可以用“盲人摸象”和“雕刻艺术品”的迭代过程来比喻。把前期获得各种片断的地质信息放在三维模型里面反演、推测，通过综合比较这些地质勘探数据，去伪存真，汇总成一个整体的地质模型。然后根据施工进展所揭示的新的地质信息，补充新的勘探资料，再修正、更新地质模型，使地质模型不断逼近和反映真实地质情况。在传统的二维图设计模式下，各种地质资料变更信息比较多，难于管理及分类，以及无法量化、形象、及时地判断地质变化对水工结构设计影响程度和范围。

在三维协同设计环境下，水工设计人员可以从整体上把握工程的地质情况，根据需要剖切生成二维图，并能实时了解地质信息变化。而无需查阅各种地质二维图纸和地质勘探资料，通过想象力形成空间三维的地质认识。

例如在锦屏一级拱坝的建基面开挖中(见图2、3)，地质专业人员根据新的揭露的地质信息，调整断层岩脉位置后，系统会自动只通知引用关联该断层的建基面、混凝土网格置换结构进行更新。断层位置在建基面上变化，是否需要调整混凝土网格置换设计方案，一目了然。还可以对地质信息变更后的建基面岩体质量重新评估、统计比较开挖方量，确定是否需要调整基础处理设计方案等。在VPM上可以保留不同设计阶段的地质模型及其对应的基础处理措施设计成果，方便追溯以往的设计成果，如作为后期整理和积累工程设计经验的素材。

与机电专业协同，主要有拱坝的孔口群闸门启闭设备、廊道内部的监测设备、管线、坝顶门机等设备布置等。由于这些机电设备依附于拱坝结构，由拱坝结构设计人员在完成这些结构设计之前，按照机电专业的要求，将结构控制元素先发布出来并通知机电专业，然后由机电专业引用所发布的控制元素进行机电设备的布置。这样拱坝结构设计和机电设备布置可以并行进行，互不干扰。同时机电设备通过引用拱坝专业已经发布的控制元素，保持上下文关联，无需因为结构位置的变化而重新布置机电设备。当机电设备在拱坝结构内无法布置或互相交叉干涉时，通过三维会签方式，直接修改拱坝细部结构，再由机电专业人员重新布置设备，不断调整，提高了专业间的沟通和设计效率。

图2 拱坝建基面开挖(与地质专业协同)

图3 建基面开挖及基础处理(与地质专业协同)

图4是在三维协同设计过程中，拱坝设计人员将下游闸墩弧形闸门的支铰点控制点元素发布出来，机电专业人员在VPM环境中，根据所发布的支铰点元素直接定位、安装弧形闸门。如果弧形闸门无法在虚拟闸墩上布置，可以通过调整闸门尺寸，或调整闸门的支铰位置来实现。通过这种虚拟现实设计方式可以实现无纸化、实时设计，可以大大避免在施工现场发生的安装调试的各种问题。

图4 出口闸墩布置弧形闸门(与机电专业协同)

4 拱坝结构的骨架驱动、参数化设计

通常我们用装配树表达拱坝的层次化结构。在分析拱坝结构模型的基础上, 研究坝体、孔口、廊道、电梯井、基础处理的关联性设计方法, 采用了在VPM在线协同设计环境下直接进行拱坝结构设计的方法, 通过控制骨架的方式实现拱坝层次化结构，管理各个单元结构关联性、建立各层模型的装配关系。在专业内，各个拱坝结构节点由多人在线并行设计，结合具体的零件特征建模方法，实现整个拱坝结构的全相关驱动(见图5)。

图5 骨架驱动的模型节点

在可研设计阶段就采用自顶向下设计方法,建立拱坝整体骨架模型和控制参数，逐层分解细化。经过可研、招标、技施的不同设计阶段的迭代设计过程, 得到最终拱坝结构的三维模型。在可研设计阶段，很多设计方案不确定，其几何模型也不确定, 随着设计的深入、结构的细化, 逐步建立起清晰的拱坝结构装配模型和零件几何模型。因为在设计初期就详细考虑了拱坝的层次化结构、整体控制骨架布置和主要设计参数, 并通过发布/引用机制管理各个结构的关联性，所以很少出现反复修改装配结构的情况。这样以后整个拱坝结构模型的更新只由控制结构或关键设计变量来控制, 大大提高了拱坝的快速设计效率。

以拱坝设计流程为对象，研究主骨架模型技术和内涵，采用参数化、设计工程、模板标准件库实现快速建模。通过主骨架模型将各工程结构，如孔口、廊道、电梯井、坝后桥、坝顶结构、闸门、基础处理等关联起来，目的就是要实现自动更新零件或部件, 以保证设计结果的一致性。实现关联设计的关键就是要解决相关约束在零件间、部件间以及零件与部件间的传播与求解,使整个拱坝各个结构只被少量的几何框架或设计参数控制，从而极大地提高设计效率，缩短设计周期(见图6)。

在构建水工标准件模板UDF的时候，可以应用CATIA 知识工程建模技术，如Parametric Curve(参数曲线)、Design Table(设计表)、Rule(规则)、Check(检查)、Reactions 等，使结构相似的拱坝结构统一表达为一个CATPart 文件。当设计者在调用模板的时候，只需修改模板设计参数即可实现快速建模。通过已有的抛物线拱圈模板，快速建立溪洛渡、锦屏一级、大岗山等拱坝模型，并调整拱圈参数实现拱坝体形优化。在实际设计工作中，可以迅速适应设计方案发生变更，无需重复建模，提高设计效率。

图6 采用骨架驱动、模板参数化的拱坝模型

5 二维出图

在水电设计行业，二维图被作为最终设计方案成果表达。为了减少手工修改二维图的繁琐工作，尽量保持二维图与三维模型的关联性，可以极大地提高效率。对于结构规则、可复用程度高、结构简单的结构图可以采用文档模板出图，如廊道典型断面结构图及钢筋图、坝体浇筑块结构图、基础处理的洞室断面及洞内围岩支护图。但拱坝大部分结构属于非标准的复杂结构，可以直接通过投影、剖切等方式生成二维图，与三维模型保持关联。由于经过校审后的设计方案和结构尺寸基本已经确定，最后完成的二维图的元素与三维模型可保留关联或打断关联关系，作为最后蓝图存档。

6 拱坝结构的设计分析一体化

传统的三维设计过程中，分析的主要任务是设计的后验校核和事故分析。目前CAE工具存在多个系统并存的局面，使用不方便，而且培训成本比较高。同时将几何模型转成分析模型，参数化信息丢失，不能与原来的CAD模型保持关联，当几何模型的结构和尺寸发生变化，只能重新建立分析模型，导致分析品质和效率的低下。

20世纪90年代前大部分CAD模型都是非参数化的，90年代开始以参数化为主，到2000年之后，发展到知识工程化。从本世纪初开始，以CATIA V5为代表的CAD软件商强调设计的智能化，所有的数据都是参数化的，如各种设计方案可以通过EXCEL表格来驱动，用户可以自己定义特征、规则等。在这种情况下，在PLM中集成CAE功能就非常重要了。与之相对应的，CAE的发展轨迹，从FEM到计算力学，再到CAE，参数化CAE已成为主流，通过设计数据参数化，容易进行形状优化。此时的主流CAE开始讲究与CAD系统界面的融合,使设计方案能够得到快速检验。理想的情况下，设计和分析在同一环境下，也就是在PLM集成平台，就可以实现设计-分析的快速循环，使得传统产品开发变成短过程的开发过程，即设计-分析的循环型产品开发过程，也就是基于CAE或基于分析的设计。

未来CAE的发展，是要达到设计仿真一体化、分析模拟的数据和流程的统一管理、多学科仿真及混合有限元分析等。无论怎样，设计、仿真一体化都是大势所趋，未来CAE要更多为设计服务，为水工结构设计创新提供更好的支撑。

CATIA分析与仿真解决方案为我们提供了高度自动化、透明的分析解决方案。CATIA能够自动进行网格划分和初步的有限元分析，同时与原三维模型保持关联。当三维模型结构发生变化，有限元模型也跟随更新，无需重新建立模型，大大缩短了建模时间和提高了分析效率。设计人员可以随时修改三维模型，分析人员可以利用已有的三维模型，进行水工结构的应力、位移等计算分析。

利用CATIA自带的网格剖分工具生成的网格，提取节点、单元信息，按照ANSYS的格式编写输入文件，然后在ANSYS读入节点单元信息，再赋值材料信息、荷载、边界约束，进行有限元分析。

以锦屏廊道配筋计算为例，在对廊道进行有限元计算时，首先进行包括基础的拱坝空间三维整体有限元静力分析，将各个检查廊道、监测廊道等细部结构模拟到坝体上，并取隔离体，重新加密单元网格，指定与整体模型同样的分析类型和分析选项，并将整体模型上子模型对应边界插值位移载荷数据文件读入模型中，施加水压、沙压、温度场、重力，然后求解分析子模型,并得出相应结果，并得出廊道周围的应力分布情况(见图7～8)。

有限元配筋方法：根据有限元计算成果，将应力成果插值到相应的计算剖面特征方向线上，绘制该特征方向线的应力图形，再根据应力图形面积，确定所需的钢筋量(见图9～10)。

图7 锦屏一级廊道子模型及各个廊道相对位置

图8 锦屏一级某廊道断面的S1应力等值线

图9 锦屏一级某廊道断面廊壁附近的主应力

以锦屏边坡稳定分析为例，通过以下步骤完成边坡块体的刚体极限平衡法的分析：

(1)在VPM协同设计环境下，在满足计算精度的前提下，对地质专业的地形、地质模型进行简化、轻量化处理(见图11)。

(2)在CATIA 完成拱坝建基面、缆机平台、垫座边坡的三维开挖(见图12)。

(3)为了简化计算，将岩层面和裂隙面等结构面假设为平面，用参数控制结构面的位置、走向、倾向，切割生成可能存在的块体(见图13)。

(4)利用CATIA 软件的测量功能获取各个结构面的面积、形心位置及滑块的体积，将这些几何信息和结构面力学参数换算为扬压力、滑动力、压力、重力及其方向，按照稳定计算程序输入格式编写，然后用稳定计算程序计算滑块的抗滑安全系数。

(5)按照一定步长调整各结构面位置、走向、倾向参数，计算出新的安全系数，求得边坡最小抗滑安全系数。

图10 锦屏一级某廊道断面的各种应力

图11 锦屏一级左岸地形地质简化模型

图12 锦屏左岸缆机平台及建基面、垫座开挖模型

图13 锦屏一级左岸缆机平台开挖前后的滑块体模型

通过结合CATIA进行边坡稳定分析，可以直观地反映块体的几何形状，可以直接察看楔体滑块和滑动面的情况，有时候根据块体边界面的位置方向就可以直接判断是单滑还是双滑模式；能轻松获取各个结构面的面积、形心位置及滑块的体积，减少了大量重复工作，提高了计算效率。在进行岩质边坡楔体稳定计算时，通常构成楔体的某一组或两组结构面位置并非完全确定，这就要在一系列滑动面组合下搜索最小稳定安全系数，滑动面组合情况越多，利用CATIA 软件进行计算的优势越明显。

DS的全生命周期管理工具，CATIA、ENOVIA VPM、Composor等在我院的数字锦屏一级电站、溪洛渡电站、坪头电站、伊朗巴哈梯亚瑞电站设计过程中，得到了全面的应用，实现了设计、分析的紧密结合和数据共享，在全相关的基础上，实现了三维数字电站循环型的协同设计、分析过程。未来水工结构CAE仿真趋势是仿真PLM一体化、分析模拟的数据和流程的统一管理、多学科仿真以及有限元仿真的融合。